Prototipagem Virtual
4.3 Métodos de prototipagem virtual
A partir do desenvolvimento da capacidade dos computadores e da sofisticação dos métodos computacionais, capazes de transportar resultados entre os vários modelos e melhorar o alcance de precisão e realismo a um custo menor, a tecnologia de prototipagem virtual vem crescendo em ritmo acelerado (ZORRIASSATINE et al., 2003). Tal fator possibilitou o desenvolvimento de ferramentas de software de simulação que são incorporadas aos modelos tridimensionais CAD. Chang, Silva e Bryant (1999), fornecem um exemplo bastante abrangente do uso do protótipo virtual e programas de software comercial CAE, incluindo CAD e Computer Aided Manufacture (CAM), para projetar um motor de um avião.
Atualmente, muitos fabricantes de automóveis realizam testes virtuais na fase de planejamento e projeto de desenvolvimento do veículo para avaliar a qualidade dos principais componentes como motores, transmissões e suspensões, assim como analisar os fatores ergonômicos e de usabilidade (EUREKA, 2013). A indústria automobilística é uma grande propulsora do desenvolvimento tecnológico na área de protótipos virtuais. A empresa Jaguar Land Rover (JLR), por exemplo, no ano de 2013 fez um investimento de aproximadamente dez milhões de libras em programas de pesquisas para os próximos quatro anos em conjunto com o Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) e quatro principais universidades, para o desenvolvimento da capacidade da engenharia virtual no Reino Unido (EUREKA, 2013).
Conforme Wang, (2002), os componentes para a elaboração de protótipos virtuais são, primeiramente, uma simulação em computador de um produto, cuja apresentação deste produto corresponde a um modelo sólido 3D. Em seguida, para um protótipo virtual ser apresentado como um modelo físico real, um modelo de interação humano-produto é desejado. De forma ideal, um produto virtual pode ser visto, escutado, inalado e tocado pelo designer ou usuário final. Por fim, várias perspectivas do design do produto são disponíveis para os testes e avaliações. Neste sentido, os métodos de prototipagem virtual podem ser classificados em duas partes: os métodos de construção e os métodos de testes.
A construção de protótipos virtuais é geralmente obtida através de um software de modelagem 3D. Como exemplo de pacotes de software utilizados no design industrial podemos citar o 3D SolidWorks, o CATIA, o 3D Studio Max, o Autodesk Maya, entre outros, no qual apresentam diferentes vantagens na modelagem.
O software Computer Aided Three Dimensional Interactive Application (CATIA), desenvolvido pela Dassault SystemTM e distribuído pela IBMTM, corresponde a um conjunto
integrado de aplicações CAD, CAE e CAM para a definição de um produto digital e simulação. CATIATM permite aos designers simular todos os processos de design desde a fase de pré-projeto até a fase de detalhamento, análise, simulação, montagem e manutenção (Ahram, Karwowski e Amaba, 2011). Como exemplo de aplicação, a Figura 4.8 mostra o CATIATM sendo utilizado para construção de um modelo de produto. O software também vem sendo utilizado pela Boeing para projetar aviões complexos como o Boeing 747-8 e pela NASA para projetar o ônibus espacial (AHRAM; KARWOWSKI; FALCÃO, 2015).
Figura 4.8 – Exemplo de uso do CATIATM para avaliar o design de um modelo de produto
Fonte: http://www.idexsolutions.com/software_solutions/catia/v5/ccv/
Na construção de um protótipo virtual existe outra abordagem que é chamada de Engenharia Reversa (ER). ER corresponde ao processo de extrair informações de design de uma parte existente, da qual tais informações estão indisponíveis ou extraviadas (JAMSHID; MILEHAM; OWEN, 2006). Esta técnica permite a reconstrução de um modelo digital geométrico através da digitalização de contato ou não contato do produto existente.
Além da capacidade de construir um modelo virtual 3D, muitos dos softwares de modelagem têm a função de testar e analisar os protótipos virtuais. Por exemplo, o Pro/Engineer tem um recurso chamado "model analisys" que permite ao usuário executar três diferentes tipos de avaliação: modelagem comportamental, modelo de verificação e edição de design (LIU, 2011).
4.3.1
Representação tridimensional versus bidimensional
O uso de protótipos virtuais no design e desenvolvimento de produtos tem acontecido desde a década de 70 (BINNARD, 1999). Conforme Zorriassatine et al. (2003), um protótipo virtual para ser efetivo não pode ser realizado sem a utilização de modelos tridimensionais, especialmente no design mais detalhado. A evolução dos modelos tridimensionais se deu a partir dos modelos de superfície e wireframe em modelos sólidos.
Ao comparar os modelos sólidos com os bidimensionais, estes são capazes de incorporar informações mais unificadas, possibilitando uma melhor interpretação e análise do modelo (PRATT, 1995). Apesar dos modelos bidimensionais também representarem um produto, muitas atividades de observação e análise serão inferiores quando comparadas aos modelos tridimensionais. Apesar deste conhecimento, muitos designers e empresas de manufatura ainda não utilizam os modelos tridimensionais para representação em seus projetos. Um dos principais fatores apontados são os custos e a falta de habilidade com os softwares 3D por muitos designers. Porém, conforme apontado por Nesbitt (2013), em seu artigo da revista Appliance Design, as recentes inovações feitas nas tecnologias virtuais permitem aos protótipos virtuais serem cada vez mais acessíveis e versáteis, propiciando às empresas de pequeno e médio porte fazerem a mudança do protótipo físico para o virtual, um luxo que anteriormente só era concedido às grandes corporações.
Neste contexto, uma maior conscientização dos potenciais benefícios da modelagem tridimensional ainda é necessária, encorajando principalmente as empresas de menor porte a explorarem mais a prototipagem virtual.
Contudo, a qualidade das representações tridimensionais vai depender do nível de precisão dada na construção do protótipo virtual. Para alcançar protótipos virtuais precisos é necessário ter um elevado nível de detalhes para que possuam as mesmas características de um modelo físico correspondente. A precisão em prototipagem depende da simulação fiel de todos os fatores que representam o produto e o seu ambiente operacional, sendo estes a geometria do produto, funções e desempenho, assim como a tecnologia de fabricação pretendida e os participantes humanos e a sua interação com o produto (ZORRIASSATINE et al. 2003).
4.3.2 Conversão do protótipo virtual para o protótipo físico
O protótipo físico, de forma tradicional, é desenvolvido de forma manual. Porém, a partir do desenvolvimento tecnológico, hoje é possível produzir um protótipo físico diretamente de um protótipo virtual, conforme descrito no item 4.1.2. As duas tecnologias tipicamente utilizadas para converter o protótipo virtual em físico são as máquinas CNC e a Prototipagem Rápida. As máquinas CNC (Computerised Numerical Control) utilizam um processo de remoção de material sólido a partir de um sólido bloco de metal, plástico ou madeira para obter uma peça acabada ou um protótipo físico. Para sua aplicação, o programador precisa lidar com todos os recursos em uma parte, e isto pode adicionar tempo e custos significativos no processo de desenvolvimento do produto (WOHLERS; GRIMM, 2003).
Ao contrário do processo de remoção de material pelo processo CNC, a Prototipagem Rápida (PR) é um processo de deposição de material (GROTE et al., 2001), e corresponde a uma construção automática de objetos físicos diretamente dos dados CAD, a partir do depósito de material físico em camadas. No processo PR, a peça é criada primeiramente em um modelo de computador 3D e, em seguida, cortado em camadas 2D e consecutivamente fabricada a partir da primeira camada para a última, utilizando esquemas de controle para dirigir a formação de cada camada. Uma vez que uma camada é criada, outra camada de material é adicionada, e todo o processo é repetido até a conclusão da peça (OTTO; WOOD, 2001). A PR é também conhecida como a fabricação de forma livre sólida, fabricação de mesa ou a tecnologia de fabricação de camada (ZORRIASSATINE et al., 2003).
A prototipagem rápida permite aos designers a produção de um protótipo físico complexo e com alta qualidade, permitindo reduzir o tempo de confecção durante o processo de desenvolvimento do produto (RAMANATH; CHUA, 2006). Todavia, antes do modelo ser impresso, o modelo originado em CAD deve ser convertido para um formato de arquivo STL (Stereolithography Tessellation Language), a partir de um programa especializado de computador da máquina de PR, para análise e processo dos cortes utilizados para construir o modelo. Este processo de conversão pode vir a gerar um desvio da geometria originada no CAD.
Além dos dois processos apresentados, pesquisadores veem investigando outro processo de prototipagem denominado prototipagem híbrida, cuja produção utiliza tanto a adição como a remoção de material no mesmo sistema. A tecnologia desenvolvida com base na prototipagem corresponde a SDM (Shape Deposition Manufacturing), onde a adição de material é usada para estabelecer a geometria do volume, enquanto a remoção de material
é usada para produzir características geométricas precisas (LIU, 2011). Conforme Zorriassatine et al. (2003), os sistemas de prototipagem híbrida podem promover uma melhor precisão do que os sistemas de prototipagem rápida.
A partir de uma rápida consideração entre a prototipagem convencional e os sistemas CNC, prototipagem rápida e híbrida, estes últimos apresentam progressos significativos na combinação entre protótipos virtuais e físicos, reproduzindo fielmente o protótipo em termos de aparência, escala e dimensão, permitindo ao usuário visualizar e interagir com o mesmo de forma mais eficaz. Conforme Liu (2011), a fidelidade de reprodução é bastante significativa no teste com protótipos, como por exemplo, se o protótipo físico difere do virtual, fica difícil para o designer apresenta-los juntos ao cliente, pois o mesmo cliente pode entendê-los como produtos diferentes em vez do mesmo produto.